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EMPACADORA AUTOMÁTICA DE PANELA INDIVIDUAL EN ENVOLTURA PLÁSTICA

YENNY MILENA GOMEZ PACHONDARIO FERNANDO CAICEDO CASTRO

Asesor: Ing. Fernando Jiménez, PhD

UNIVERSIDAD DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENIERIA

BOGOTA, Abril de 2005

EMPACADORA AUTOMÁTICA DE PANELA INDIVIDUAL EN ENVOLTURA PLÁSTICA

YENNY MILENA GOMEZ PACHONDARIO FERNANDO CAICEDO CASTRO

Proyecto de grado para al titulo de Especialista en Automatización de Procesos Industriales

Asesor: Ing. Fernando Jiménez, PhD

UNIVERSIDAD DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENIERIA

BOGOTA, Abril de 2005

TABLA DE CONTENIDO

TABLA DE CONTENIDO 3

LISTA DE FOTOS 7

LISTA DE FIGURAS 8

1. INTRODUCCION 9

2. OBJETIVOS Y ALCANCES 10

3. EMPAQUE DE LA PANELA, DEFINICION DEL PROBLEMA Y DESCRIPCION BIBLIOGRAFICA 11

3.1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA 11

3.2. EMPAQUE DE ALIMENTOS CON MATERIALES PLASTICOS 11

3.2.1 Empaque 11

3.2.2 Termoencogibles 16

3.3 MÉTODOS DE CONFORMADO 17

3.3.1. Conformado de una Sola Etapa 17

3.3.2. Conformado en Etapas Múltiples 18

3.4. MÉTODO UTILIZADO EN LA EMPACADORA AUTOMATICA DE PANELA INDIVIDUAL EN ENVOLTURA PLASTICA. 19

4. EMPACADORA AUTOMATICA DE PANELA INDIVIDUAL, DIAGRAMA DE BLOQUES FUNCIONALES 20

4.1. BANDAS TRANSPORTADORAS 20

4.2. MÓDULO DE EMPAQUE Y SELLADO 21

5. MODULOS DE BANDAS TRANSPORTADORAS 24

6. MODULO DE EMPAQUE Y SELLADO 31

6.1. SELLADO Y CORTE DE PLÁSTICO 32

6.2. TERMOENCOGIDO DEL PLÁSTICO 33

6.3. CONTEXTO DEL MODULO DE EMPAQUE Y SELLADO 34

7. MODULO DE DESPLIEGUE Y REGISTRO 37

8. MODULO DE CONTROL SECUENCIAL 43

8.3. GRAFCET 47

8.4. GUIA GEMMA 49

9. RESULTADOS 51

10. CONCLUSIONES 54

11. BIBLIOGRAFIA 55

LISTA DE FOTOS

Foto 1. Presentación de la Película Termoencogible.....................................14

Foto 2 Tunel de Termoencogido de la Empacadora......................................17

Foto 3 Banda transportadora de entrada.......................................................26

Foto 4 Moto reductor de banda de entrada...................................................27

Foto 5 Banda transportadora de salida..........................................................27

Foto 6 Tobogán de transferencia...................................................................28

Foto 7 Mecanismo de Sellado.......................................................................29

Foto 8 Ubicacion de los Servomotores de Sellado........................................30

Foto 9 Tunel de Aire Caliente Para Termoencogido......................................31

Foto 10 Módulo de despliegue y registro.......................................................38

Foto 11 Panela en Empaque Individual.........................................................42

Foto 12 Empacadora Automatica de Panela en Empaque Individual............43

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Diagrama Funcional, Empacadora de Panela 18

Figura 2. Diagrama Funcional de la Empacadora de Panela, Contexto del Módulo de Bandas transportadoras 23

Figura 3. Diagrama Funcional de la Empacadora de Panela.Contexto del Módulo de Empaque y Sellado 32

Figura 4. Diagrama de Contexto del Módulo de Empaque y Sellado 33

Figura 5. Diagrama Funcional de la Empacadora de Panela Contexto del Módulo de Despliegue y Registro 36

Figura 6. Diagrama de Contexto del Módulo de Despliegue y Registro. 36

Figura 7. Circuito del Modulo de Registro y Despliegue 40

Figura 8. Diagrama Funcional de la Empacadora de Panela.

Contexto del Módulo de Despliegue y Registro 43

1. INTRODUCCION

La empacadora automática de panela en envoltura individual se desarrolló como una propuesta de innovación tecnológica para la industria panelera con la aplicación de los conocimientos adquiridos en la Especialización de Automatización de Procesos Industriales de la Universidad de los Andes.

La producción de panela desde hace muy poco tiempo ha empezado a buscar soluciones a los problemas de higiene y presentación del producto. Inicialmente la panela se empacaba en sacos de fique envueltos de corteza vegetal seca; esto tiene problemas de exposición del producto, mala presentación, higiene y muchos otros inconvenientes. Posteriormente se utilizó empaque en sacos de papel y cajas de cartón en los cuales se empacan las panelas sin protección individual, en este tipo de empaque se presentan problemas de humedad y exposición a insectos. Actualmente algunos trapiches utilizan empacadoras manuales de plástico y uno a uno los bloques de panela se envuelven y se sellan. Con este proyecto se ofrece una nueva maquinaria para automatizar el proceso de empaque de panela de caña de azúcar.

El desarrollo de este proyecto se realizó tomando como referencia el documento “Metodología para el Desarrollo de Diseños de Ingeniería” [1], elaborado en la Universidad de los Andes. De acuerdo a esta metodología en primer lugar se realizó la adquisición y suministro de información sobre la necesidad y las especificaciones requeridas las cuales fueron validadas con productores de panela. Posteriormente, en el diseño del sistema se realizó un primer proceso de ingeniería en el cual se dividió funcionalmente la empacadora en cinco módulos (Bandas transportadoras, Sistema de empaque y sellado, Sistema de registro y despliegue, Control Secuencial y Ensamble General); como segunda fase de diseño se desarrolló el diseño detallado de cada uno de los bloque funcionales. La tercera fase de acuerdo a la metodología fue la implementación donde se efectuó la fabricación, ensamble y pruebas de las partes de la empacadora.

2. OBJETIVOS Y ALCANCES

Con este proyecto se pretende automatizar el proceso de empaque de panela de caña de azúcar que actualmente se realiza de manera manual.

Como resultado general del proyecto se espera tener un proceso automatizado en el cual se aplican teorías de control secuencial, informática, redes industriales y gestión de producción.

Al finalizar el proyecto se presentará un prototipo de la máquina empacadora que recibe las panelas en una banda transportadora de entrada y las empaca de forma individual con una envoltura plástica ejecutando un sellado térmico. Las panelas selladas se posicionan en una banda transportadora de salida y se genera un registro contador de panelas empacadas para el control de la cantidad producida.

Se espera que el proyecto aporte a la industria productora de panela agregando limpieza y uniformidad en el empaque del producto mejorando la presentación e higiene ante el cliente.

3. EMPAQUE DE LA PANELA, DEFINICION DEL PROBLEMA Y DESCRIPCION BIBLIOGRAFICA

Se requiere hacer la definición del problema actual del empaque de la panela y de los empaques, caracterización, propiedades y métodos de conformado para realizar la implementación y selección adecuada del empaque a utilizar.

3.1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

La producción de panela en Colombia sigue un proceso artesanal que desde hace muy poco tiempo ha empezado a buscar soluciones a los problemas de higiene y presentación del producto. Inicialmente la panela se empacaba en sacos de fique envueltos de corteza vegetal seca; esto tiene problemas de exposición del producto, mala presentación, higiene y muchos otros inconvenientes. Posteriormente se utilizó empaque en sacos de papel y cajas de cartón en los cuales se empacan las panelas sin protección individual, en este tipo de empaque se presentan problemas de humedad y exposición a insectos, etc. Actualmente algunos trapiches utilizan empacadoras manuales de plástico y uno a uno los bloques de panela se envuelven y se sellan.

El empaque individual en plástico mejora la presentación y protege el producto, sin embargo, el tiempo para realizar el proceso no es óptimo y además al hacerse manualmente no existe uniformidad en todas las panelas y siguen existiendo problemas de higiene por manipulación.

Adicionalmente, un inconveniente que se presenta con las panelas para los productores es la pérdida del producto durante el proceso de empaque debido al desconocimiento de la cantidad producida.

3.2. EMPAQUE DE ALIMENTOS CON MATERIALES PLASTICOS

3.2.1 Empaque

Por envase ó empaque se entiende el material que contiene o guarda a un producto lo protege y distingue de otros artículos, puede facilitar el transporte y la presentación para la venta. En forma más estricta, el envase es cualquier recipiente, lata, caja o envoltura propia para contener alguna materia o artículo. Desde la antigüedad siempre existió la necesidad de conservación, desde el calor de nuestro cuerpo hasta la de una casa o la de los alimentos.

Se define como embalaje a todos los materiales, procedimientos y métodos que sirven para acondicionar, presentar, manipular, almacenar, conservar y transportar una mercancía.

En conjunto con la evolución de la tecnología, se han creado envases innovadores con base a un consumidor más exigente cada día, dándoles diferentes usos, siempre sin olvidar su principal función: conservar.

Envases de plástico Existen dos grandes grupos en los envases ó las envolturas que son los celofanes y los plásticos.

Celofanes: hechos de celulosa regenerada. Su utilidad básica es la de envolver y al aplicarle una cubierta de nitrato de celulosa se hace permeable a la humedad, aparte de que se cierra las dos hojas con calor. Tiene un brillo muy bueno lo que se usa para diseños de calidad; otra ventaja es que es transparente y se pueden imprimir motivos atractivos. Plásticos: la mayoría de los nuevos productos y por el desarrollo en la tecnología y el diseño del embalaje, pertenecen al campo de los plásticos por su versatilidad a formas, usos (microondas) etc. Tratan de superar al vidrio y se hacen investigaciones para que no contaminen y que sean reciclables. El plástico es el material que más se usa para embalaje, es ligero y puede moldearse en complicadas formas de muchos colores diferentes, aparte, de que se le puede apretar para hacer salir el contenido. El polietileno de baja y alta densidad (LDPE y HDPE), polipropileno (PP) y el tereftalato de polietileno (PET) son plásticos relativamente baratos para el embalaje y se moldean fácilmente siendo muy atractivos, con un acabado brillante de alta calidad sobre el cual se puede imprimir hasta seis tintas. El PVC se usa para bandejas, botellas, y también para aceite, jarabes y jugos de frutas entre otros, pero tienen el inconveniente de que se puede agrietar o partir. En cuanto a los materiales termoplásticos son los que se deforman y moldean al calentarlos. Otro proceso es el de extrusión donde los plásticos reblandecidos son empujados a través de una hilera conformada para dar formas y envoltorios continuos.

En general, para decir qué tipo de características se requieren en un plástico para cubrir las necesidades de cierto tipo de producto se debe tener en cuenta:

Transparencia Resistencia al impacto Rigidez Impermeabilidad al vapor de oxígeno agua Resistencia a agrietamientos Punto de reblandecimiento Facilidad de impresión Olor

Las aplicaciones mas reconocidas son:

Fármacos y medicamentos Artículos de tocador Productos químicos Productos agrícolas e industriales Pinturas Líquido para motor Alimentos y bebidas

Impresión

Además del etiquetado existen muchos plásticos que se imprimen directamente. Para envoltorios de plástico la flexografía es la técnica principal y la más económica. Para los envases en forma de botella, tarros con tubos flexibles, se necesita impresión en offset o flexografía. Otra técnica para envases más rígidos es el estampado en seco, en el que una matriz a alta temperatura se coloca contra una hoja de oro o plata y se comprime con fuerza sobre el envase. Como en todos los materiales, se requiere de ciertas regulaciones que deben cumplir para su aplicación, así como para cosméticos, alimentos, artículos de tocador son simples, pero, para envasado farmacéutico es bastante complicado. El motivo principal es que el fabricante del envase debe garantizar que los productos no sean afectados por los envases, lo que a veces resulta muy difícil. Habiendo visto que es en lo que se refiere a la forma, los plásticos ofrecen muchas ventajas, es necesario revisar algunos otros puntos como el color. A los termoplásticos se aplica un pigmento, pero los termofijables tienen el limitante que sólo se fijan los colores oscuros.

Peso

Otra característica importante es el peso, la ligereza del plástico ahorra costos en transporte y aumenta la comodidad del consumidor, debido a esto, los aceites de motor y las bebidas han cambiado a envases de plástico en lugar de vidrio, por su resistencia al impacto y oxidación nula. Por todo esto es esencial el conocimiento de los materiales para elevar tanto el valor del diseño como el de mercadotecnia. El PET (Treftalato de polietileno) aumenta la resistencia de las botellas a la penetración del oxígeno y se ha utilizado sobretodo para bebidas alcohólicas, vinos, así como para agua mineral, dando brillo y transparencia muy buena, además, de que es casi irrompible. El agua, por su poco gusto o sabor, es muy difícil de envasar, pero por la demanda que tiene se ha logrado que los diseñadores industriales se las ingenien para elaborar mejores envases cada día. En su parte ecológica no es un problema ya, pues ahora se puede separar sus partes y se puede volver a utilizar en otros envases, excepto en alimentos. Además, la esterilización restringida para las latas de hojalata y envases de vidrio en ahora posible con plásticos de alta protección coextruidos o laminados. Los envoltorios de plásticos se hacen en los siguientes plásticos básicos:

LDPE polietileno de baja densidad. LLPDE polietileno lineal de baja densidad. HDPE polietileno de alta densidad. PP polipropileno . PET tereftalato de polietileno. PVC cloruro de polivinilo. PLF poliolefina

El que más competencia tiene con los envases de celulosa es el polipropileno orientado para las galletas, alimentos, confitería, debido a su naturaleza impermeable cuando se cierra herméticamente, junto a su apariencia brillante y su facilidad de impresión. Hay una tendencia mundial a la reducción de densidad del envoltorio. El resultado ha sido envoltorios más delgados y más fuertes; el objetivo es tener materiales y procesos más baratos.

Normalmente los envoltorios de plástico suelen cerrarse apretando con mordazas los extremos y fundiendo con calor las hojas al mismo tiempo; pero los contenidos como los bombones o chocolates no pueden llevar este proceso porque de lo contrario se derretirían, en este caso se logra un recubrimiento de cloruro de polivinilideno (PVdC) lo que permite sellar en frío a presión, siendo costosa su aplicación. El polietileno representa el 30% de todo el plástico del mundo. Su uso más común son las bolsas de envasado y bolsas de tienda, su densidad afecta a ciertas cualidades como su rigidez, resistencia a baja temperatura, y resistencia a la rotura. Este plástico ofrece celofán rígido para evitar que se rompa cuando se envasa a alta velocidad, pero ofrece al mismo tiempo un celofán claro con una superficie brillante. Para productos que se congelan emplean envolturas que trabajen a baja temperatura por lo que se debe saber exactamente cuál plástico necesita (acetato de vinilo-etileno EVA). El PVC se utiliza para envolver bandejas de alimentos frescos en el proceso de atmósfera modificada y los envoltorios de poliéster se usan para envases de bolsa dentro de caja y para recubrir alimentos de microondas. Las bolsas de plásticos se hacen a partir de un tubo continuo, que es cerrado y cortado a intervalos; así como otros procesos que originan diferentes tipos de pliegues y bolsas. Las bolsas se fabrican y almacenan planas para transportar por lo que ocupan poco espacio. Las de polietileno se pueden decorar, son económicas, higiénicas y ocupan menos espacio. Hay estuches calentables para alimentos y productos sanitarios que tienen la ventaja de que se pueden imprimir fotografías. Las estuches solubles en agua que tienen productos químicos con cantidades exactas que ayudan a los granjeros a no tener complicaciones midiendo productos que usan.

Otro envase es el antiestático que sirve para componentes eléctricos y electrónicos. La electricidad estática es considerada un serio problema, se pierden grandes cantidades de productos por energía creadas por los transportes, clima, etc. Entre estos materiales se encuentran los rosados de almohadillas de burbujas de aire que absorben las descargas por los impactos mecánicos usuales. Son transparentes lo que permite que se vea el producto siendo ligeros y fáciles de cortar aunque resisten al desgarro con otra característica importante es que el material es termosoldable.

3.2.2 Termoencogibles

Dado a que los plásticos se vuelven más sencillos de manejar y moldear cuando se calientan debido a sus propiedades entre 50 a 80 grados sobre la temperatura ambiente los llamamos termoplásticos.

Foto 1. Presentación de la Película Termoencogible

La mas utilizada es la poliolefina termoencogible semitubular de alta resistencia y brillo, no emite gases tóxicos durante el proceso de termoencogido y sellado, ideal para empaque de libros, abarrotes, medicamentos, artesanías, alimentos en general, artículos de belleza entre otros, además, estos materiales están aprobados por la FDA (Food and Drug Administration).

La presentación de la película termoencogible es en bobinas las cuales se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Presentación de la Película Termoencogible.

Ancho BobinaCalibre Largo Bobina Peso Bobina

Precio Bobina US$

8” 15 µm 1332m 7.47 kg 52.29

10”15 µm

1332m 9.34 kg 65.38

12”15 µm

1332 m 11.21 kg 78.47

14”15 µm

1332 m 13.07 kg 91.49

16”15 µm

1332 m 14.94 kg 104.58

18”15 µm 1332 m

16.81 Kg 117.67

20”15 µm 1332 m

18.68 Kg 130.763.3 MÉTODOS DE CONFORMADO

El sistema más simple es el estirado de una lámina en estado semi-plástico sobre un molde. A medida que la lámina topa con la superficie del molde, el estirado se detiene y, como resultado, las partes de la lámina que tocan al molde en primer lugar tienen un espesor mayor que el resto. Si el estirado es pequeño, no queda comprometida la integridad de la pieza y, por tanto, es el procedimiento más usado en el envase de tipo "blíster" y en los embalajes de tipo burbuja.

3.3.1. Conformado de una Sola Etapa

Si se precisa un grado elevado de estirado o se utiliza chapa gruesa existen cinco métodos que realizan el conformado en una sola etapa.

Conformado por adaptación: la lámina caliente se baja sobre el molde macho o se hace subir a éste de modo que se adapte a su forma. La adaptación se complementa haciendo el vacío entre el molde macho y la lámina, o aplicando sobre ella presión de aire. Los productos de este proceso presentan un espesor grande en el fondo que va disminuyendo hasta ser mínimo en los bordes.

Moldeo por vacío: la lámina se fija sobre el borde del molde hembra haciendo luego el vacío como se ha indicado inicialmente. En contraste con el proceso anterior, el espesor de la pieza es mayor en los bordes y mínimo en los cantos de la parte inferior.

Formado a presión: similar al moldeo por vacío, sobre la lámina se aplica además aire comprimido hasta 1,4 MPa, por lo que el sistema precisa de una cámara cerrada superior. Este procedimiento se utiliza para conformar lámina de pequeña galga de materiales como el PP, que se suministran en rollo, o para transformar lámina de gran espesor en piezas con detalle superficial fino.

Libre soplado: se aplica aire comprimido entre una cámara que substituye al molde, inexistente en este caso, y la lámina para obtener una burbuja, cuya altura se controla mediante una fotocélula. Dado que la burbuja formada de la lámina no toca ningún elemento metálico, no tiene ninguna marca y, excepto en las cercanías del marco de fijación, tiene un

espesor regular. El aire enfría la burbuja para rigidizar la pieza. El sistema se utiliza extensamente en envases "blister" (que significa, precisamente, "ampolla") a partir de laminada delgada suministrada en rollo.

Molde y contra molde: utilizados para conformar piezas a partir de polímeros relativamente rígidos, como la espuma de PS.

Puede aplicarse vacío al molde hembra para ayudar al conformado. Aunque las presiones de cierre son de alrededor de 0,35 MPa, si se aplican fuerzas del orden de 1 MPa puede producirse además un cierto movimiento del material.

3.3.2. Conformado en Etapas Múltiples

El principal inconveniente de los métodos descritos es la dificultad para controlar el espesor en piezas complejas que presenten cantos con radios reducidos o un embutido profundo, especialmente cuando se conforman planchas de un espesor importante. Por ello se han desarrollado métodos con más de un paso, siendo habitualmente el primero una forma de estiramiento de la lámina. El termoconformado permite el moldeo de una amplia gama de tamaños: desde pequeñas unidades para envasado de alimentos hasta embarcaciones deportivas, , que tiene una eslora de 47,70 m, fabricada en lámina de ABS, reforzada en sándwich con espuma de poliuretano.

Estirado de burbuja: se forma una burbuja como se ha descrito antes y un molde macho desciende a continuación. Al cerrarse sobre los bordes de la lámina, se aplica vacío entre ambos y presión de aire en la cámara inferior.

Vacío con respaldo: de modo inverso al anterior, la burbuja se forma mediante vacío entre la lámina y la cámara inferior. El molde macho desciende y completa el conformado, efectuándose el vacío entre éste y la lámina y aplicando aire comprimido entre ésta y la cámara.

Vacío con burbuja: se utiliza un molde hembra y se aplica aire a presión entre el molde y la lámina. Una vez formada la burbuja, se hace el vacío entre ésta y el molde.

Vacío asistido con pistón: para asegurar el espesor de el fondo y sus aristas, un pistón macho con la contra forma de éstos desciende sobre la lámina hasta contactar con la cavidad hembra, entre las cuales se aplica el vacío ara completar el moldeo.

Presión asistida con pistón: combinando el método anterior con una cámara superior, este sistema aplica presión de aire sobre la lámina, y el molde hembra lleva taladros de ventilación que pueden o no conectarse a una bomba de vacío.

Presión asistida con pistón con estirado inverso: como en el método anterior, pero con un paso previo de formación de burbuja con aire a presión desde el molde inferior, hasta que ésta toca al pistón, que desciende entonces hasta el contacto con el molde hembra.

Vacío con burbuja asistido con pistón: como en el método anterior, pero sin que exista cámara superior para aplicar presión.

Formado a presión con inmersión de burbuja: en este caso se utiliza, como en el de vacío con respaldo, una cámara inferior, que permite formar la burbuja, y un molde macho superior que desciende en contacto con ésta, completándose el moldeo con presión desde la cámara.

3.4. MÉTODO UTILIZADO EN LA EMPACADORA AUTOMATICA DE PANELA INDIVIDUAL EN ENVOLTURA PLASTICA.

Para la implementación en la Empacadora se utilizó la poliolefina termoencogible semi tubular de alta resistencia y brillo, no emite gases tóxicos durante el proceso de sellado y termoencogido en bobina con ancho de 0.2m, teniendo en cuenta las características de la panela.

Foto 2 Tunel de Termoencogido de la Empacadora.

La panela se encuentra a temperatura ambiente en el momento de empacar y la temperatura de inicio de transformación de fase es de 400°C, por lo cual su exposición entre 80°C y 100°C no afecta sus propiedades.

El método de conformado es libre soplado mediante la exposición del producto dentro de la película termoencogible en un túnel de aire caliente a una temperatura de 90°C (± 10°C), el molde es la panela donde la película se deformara a la superficie de esta.

4. EMPACADORA AUTOMATICA DE PANELA INDIVIDUAL, DIAGRAMA DE BLOQUES FUNCIONALES

Para reducir la complejidad del problema se plantea una división en bloques funcionales. Cada bloque ejecuta una tarea específica:

- Transporte y posicionamiento del producto para ser sellado.- Sellado del plástico alrededor del producto.- Termoencogido del plástico.- Transporte del producto hacia el exterior de la empacadora.- Despliegue y registro de información de la producción.- Control y sincronización general de todas las secuencias de la

empacadora.

De acuerdo con estas funciones planteadas, se plantea una división funcional como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Diagrama Funcional, Empacadora de Panela.

4.1. BANDAS TRANSPORTADORAS

Debido a la similaridad en las funciones de los transportadores, se realizó un agrupamiento para el diseño de las bandas de entrada y salida. Las funciones comunes entre estas dos bandas son:

Panela sin PanelaEmpacar Empacada

Transporte de Entrada

Transporte de Salida

Sistema de Empaque y

Sellado

Despliegue y Registro

Control Secuencial

- Capacidad de transporte: peso.- Velocidad de transporte.- Actuadotes: motores.

Para cada banda existe un grupo de funciones específicas:

4.1.1. Banda Transportadora de Entrada

Esta banda recibe el producto desde el operador y lo transporta hacia el interior de la empacadora. Sus funciones son:

- Transportar el producto hacia el interior de la empacadora.- Ofrecer buen rozamiento para halar el plástico que rodea las panelas.- Contener los sensores necesarios para posicionar la panela

adecuadamente para que se realice el sellado.- Soportar calor y presión para que sobre ella se realice el sellado y el

corte del plástico (300°C).- Entregar las panelas empacadas hacia el sistema de termoencogido y

banda transportadora de salida.

4.1.2. Banda transportadora de salida

Esta banda recibe el producto empacado y sellado desde la banda de entrada y lo mantiene para que se realice el termoencogido del plástico, posteriormente evacua el producto terminado. Sus funciones son:

- Transportar el producto hacia el exterior de la empacadora.- Permitir que el aire caliente para termoencogido afecte todas las

superficies del producto.- Contener los sensores necesarios para posicionar la panela

adecuadamente para que se realice el termoencogido.- Soportar calor y presión para que sobre ella se realice el

termoencogido del plástico (100°C).

4.2. MÓDULO DE EMPAQUE Y SELLADO

Para la empacadora desarrollada se ha dividido este bloque en dos partes: Sellado y Termoencogido.

4.2.1 Sellado y Corte de Plástico

El sellado del plástico se puede lograr a una temperatura de 200°C, sin embargo el corte necesita una temperatura de 300°C. El bloque de sellado y corte realiza las siguientes funciones:

- Genera el calor necesario para el sellado y corte del plástico.- Mantener el calor alejado del plástico mientras se posiciona para el

sellado y corte.- Aislar el plástico para que no se pegue al sellador caliente.- Generar la presión suficiente para el sellado y corte.- Contener el sensor de calor para que pueda controlarse la

temperatura.

4.2.2 Termoencogido del Plástico

El termoencogido del plástico se logra aplicando aire caliente entre 80°C y 100°C. Las funciones que cumple este módulo son:

- Generar aire caliente.- Permite que el aire afecte al producto por todas las caras para que el

plástico termoencoja uniformemente.

4.3. DISEÑO DEL SISTEMA DE REGISTRO Y DESPLIEGUE

El sistema de registro llevará acabo un conteo de las panelas empacadas en periodos determinados y despliega esa información a través de una pantalla. Las funciones que realiza son las siguientes:

- Se comunica con el control secuencia para recibir un comando que le indica incrementar el conteo de panelas empacadas.

- Almacena en memoria no volátil la información de panelas empacadas.

- Despliega la hora actual.- Despliega el número de panelas empacadas en la ultima Hora, el

último día y el último mes.

4.4. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL SECUENCIAL DE LA

EMPACADORA.

El control secuencial se encarga de coordinar y sincronizar todas las tareas que realiza la empacadora:

- Controla la posición de la banda de entrada para ubicar la panela en el proceso de sellado y para evacuar la panela sellada hacia la banda de salida.

- Controla la temperatura del mecanismo de sellado y corte.- Controla la posición del mecanismo de sellado y corte, baja el

mecanismo para el sellado y corte, sube el mecanismo para que la panela sellada se mueva hacia la banda de salida.

- Controla el movimiento de la banda de salida para que posicione la panela sellada para que el plástico se termoencoja.

- Activa la generación de aire caliente en el proceso de termoencogido.- Envía los comandos necesarios hacia el módulo de despliegue y

registro para que se muestre la información de la producción de panela.

5. MODULOS DE BANDAS TRANSPORTADORAS

La maquina empacadora contiene dos bandas transportadoras, una de entrada y otra de salida. La función principal de estas bandas es mover las panelas a lo largo de la empacadora. La banda de entrada recibe las panelas y las introduce en la empacadora mientras que la banda de salida recibe la panela desde el interior de la máquina y la transporta hacia la salida de la misma.

5.1. ESPECIFICACIONES LITERALES DE LAS BANDAS TRANSPORTADORAS

Los transportadores deben cumplir con las siguientes especificaciones que son comunes:

- Capacidad de transporte ó flujo másico: 10Kg/m2.- Velocidad de transporte: 0.1 m/s

En la banda de entrada se realiza el proceso de sellado y corte del plástico, por esta razón tiene las siguientes especificaciones adicionales:

- Recibir la panela y el plástico. - Transportar la panela envuelta de plástico hacia el interior de la

máquina.- Halar el plástico mientras transporta la panela.- Debe contener los sensores necesarios detectar que la panela se

encuentra en posición de sellado.- Soportar el calor y la presión mínima para que sobre ella se realice el

sellado y el corte del plástico (300°C).- Evitar que el plástico al calentarse durante el sellado se adhiera a la

banda. - Mover las panelas una vez selladas hacia el sistema de

termoencogido y banda transportadora de salida.

En la banda transportadora de salida se realiza el proceso de termoencogido del plástico por lo que debe cumplir las siguientes especificaciones adicionales:

- Permitir que el aire caliente para termoencogido llegue todas las superficies del producto.

- Contener los sensores necesarios para posicionar la panela adecuadamente para que se realice el termoencogido.

- Soportar una temperatura de 100°C sin deformarse para que el proceso de termoencogido se realice sobre ella.

- Transportar el producto hacia el exterior de la máquina.

5.2. CONTEXTO DE LAS BANDAS TRANSPORTADORAS

La figura 2 muestra la ubicación de las bandas transportadoras dentro de la empacadora.

La banda transportadora de entrada recibe directamente del operador las panelas que se deben ubicar al interior del plástico. Posteriormente, las panelas son ubicadas en posición de sellado para que el módulo de Empaque y Sellado realicen su tarea. Una vez que el sellado y corte se han realizado, la banda de entrada mueve la panela para que entre a la banda de salida en donde se realiza el proceso de termoencogido. Todas estas tareas son ordenadas y coordinadas por el control secuencial.

Figura 2. Diagrama Funcional de la Empacadora de Panela,

Contexto del Módulo de Bandas transportadoras.

5.3. INTERFACES DE LAS BANDAS TRANSPORTADORAS


<1> <2> <3> <4>

<5> <6>

Banda Transportadora

de Entrada


de Salida


Sellado


Control Secuencial

De acuerdo con el diagrama de contexto, las bandas transportadoras tiene las siguientes interfaces para comunicarse son los demás módulos y con el operador de la empacadora.

5.3.1. Interface de la Banda Transportadora de Entrada.

La banda de entrada interactúa con el operario, recibiendo panelas, con el módulo de empaque y sellado, posicionando las panelas y con la banda de salida, moviendo las panelas.

<1> Operario - Banda de Entrada.

IngresarPanela El operador de la empacadora puede ingresar las panelas dentro del plástico sobre la banda de entrada.

<2> Banda de Entrada - Modulo de Empaque y Sellado.

PosicionarPanela La banda de entrada se ubica en posición para que el módulo de empaque y sellado realice su tarea.

PosicionarSiguientePanela: La banda de entrada realiza la evacuación de una panela sellada y ubica la siguiente panela para repetir el proceso.

<3> Banda de Entrada - Banda de Salida.

EntregarPanela: (PosicionarSiguientePanela): La banda de entrada al realizar la evacuación de una panela sellada hacia la banda de salida. Automáticamente ubica la siguiente panela para repetir el proceso de sellado.

<3> Banda de Salida – Sistema de empaque y sellado.

PanelaPosicionTermosellado: La banda de salida posiciona la panela para que el módulo de empaque y sellado realice el proceso de termoencogido.

<5> Banda de Entrada – Control Secuencial.

Desde el control secuencial se realizan las siguientes órdenes:

MoverBandaAdelante: orden de movimiento de la banda hacia adelante para posicionar una panela para sellado ó para evacuar una panela sellada.

MoverBandaAtras: orden de movimiento de la banda hacia atrás para posicionar una panela para sellado. Esta orden se da cuando al ubicar la panela ocurre un adelanto de la misma y no está en posición adecuada para sellar.

DetenerBandaEntrad: orden de detención de la banda de entrada. Se utiliza cuando la banda está posicionada para sellar una panela ó en una parada de emergencia.

Desde la banda de entrada se envía la siguiente señal hacia el control secuencial:

SensorPosicion1: Es un sensor ON-OFF que indica la posición de la panela en la banda transportadora. Esta señal se utiliza para ubicar la panela en posición de sellado.

SensorPosicion2: Es un sensor ON-OFF que indica la posición de la panela en la banda transportadora. Esta señal se utiliza para ubicar la panela en posición de sellado.

<6> Banda de Salida – Control Secuencial.

Desde el control secuencial se realizan las siguientes órdenes:

MoverBandaSalida: orden de movimiento de la banda hacia adelante para posicionar una panela para termoencogido ó para evacuar una panela terminada.

DetenerBandaSalida: orden de detención de la banda de salida. Se utiliza cuando la banda está posicionada para termoencoger ó en una parada de emergencia.

5.4. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE BANDAS TRANSPORTADORAS

Teniendo en cuenta las especificaciones e interfaces de control descritas a continuación se presentan los resultados del diseño de las bandas.

5.4.1. Banda Transportadora de Entrada

La banda transportadora de entrada se diseño en caucho de neopreno. Los extremos se unieron con cemento de caucho Isopren AX. Las dimensiones de la banda son las siguientes:

Largo: 0.5mAncho: 0.25mÁrea efectiva para ubicación de panelas: 0.1m2

Foto 3 Banda transportadora de entrada

Para cumplir con el requerimiento de soporte de peso de panelas y presión para sellado, se incluye una plataforma en la parte superior. En la plataforma se ubican 2 sensores tilt (magnéticos).

Para soportar el calor del mecanismo de sellado, a lo largo y ancho de la panela se incluyen unas tiras divisorias en neopreno de alta resistencia forrados en cinta de teflón que evita que el plástico se adhiera a la banda durante el sellado.

Debajo de cada separación transversal de neopreno se incluye un imán de neodimio tipo moneda que permite activar los sensores magnéticos cuando la separación se encuentra en posición de sellado.

Para el movimiento de la banda se seleccionaron 2 moto reductores que tienen un torque de 0.072kg-m. La siguiente foto muestra uno de los motores instalado.

Foto 4 Moto reductor de banda de entrada

Las pruebas realizadas permitieron mover 6 kg de panela con la banda transportadora, sin embargo solo se trabajan 2 kg por seguridad y para evitar fatigamiento de las piezas. Con este peso se tiene un flujo másico de 10kg/m2

5.4.2. Banda Transportadora de Salida

Debido al requerimiento de soporte de temperatura y permitir la penetración de aire calienta a la panela para termoencogido, esta banda se implementó mediante rodillos de aluminio como se muestra en la siguiente foto:

Foto 5 Banda transportadora de salida

Las dimensiones de esta banda son:

Largo: 0.46mAncho: 0.25m

Esta banda se mueve mediante 1 moto reductos con capacidad de torque de 0.072kg-m. La transmisión de movimiento se realiza mediante una cadena eslabonada, piñones y bandas de caucho entre los rodillos.

La separación de los rodillos permite que el aire caliente influya sobre la panela situada encima de la banda.

5.4.3. Unión de las 2 Bandas Transportadoras.

Las 2 bandas transportadoras se unen a través de un tobogán de transferencia implementado en acrílico forrado con un plástico ranurado que permite que las panelas resbalen de una banda a otra. Este tobogán se hace necesario para girar las panelas ya que se sellan posicionadas a lo ancho y es más efectivo termoencogerlas a lo largo; la rotación se logra con un tope que obstaculiza la caída de la panela y genera una rotación. La siguiente foto muestra dicho tobogán.

Foto 6 Tobogán de transferencia

6. MODULO DE EMPAQUE Y SELLADO

De acuerdo a la definición del problema, el Módulo de Empaque y Sellado debe cumplir con las siguientes especificaciones:

- Las panelas deben ser posicionadas adecuadamente para el sellado y posteriormente para la aplicación de calor.

- El plástico debe ser termo encogible.- El plástico será suministrado en rollos con anchos entre 25cm y 50cm.- El corte del plástico debe ser realizado por el módulo con un mínimo

de desperdicio.- El calor aplicado al plástico debe ser uniforme por todos los lados de

la panela.- La forma de las panelas puede variar en su geometría y dimensión;

pueden ser paralelepípedas ó cilíndricas.

Requerimientos no funcionales:

- El acabado de la máquina debe ser adecuado para el tratamiento de alimentos.

- Las superficies en las cuales se realiza el sellado del plástico y la aplicación de aire caliente deben ser resistentes y durables.

- Este módulo debe ser “Modular” y permitir diversas configuraciones de acuerdo al tamaño, la forma de las panelas y el ancho del plástico.

Foto 7 Mecanismo de Sellado

En el módulo de empaque y sellado la panela queda en el interior de la película de plástico completamente cerrada debido que el plástico es

semitubular y se realiza el sellado por las otras tres caras de la panela. Posteriormente se expone en el túnel de viento caliente para realizar el termoencogido. Para el diseño detallado se presenta en dos partes: Sellado y Termoencogido.

6.1. SELLADO Y CORTE DE PLÁSTICO

El sellado del plástico se puede lograr a una temperatura de 200°C, sin embargo el corte necesita una temperatura de 300°C. El bloque de sellado y corte realiza las siguientes funciones:

Genera el calor necesario para el sellado y corte del plástico. Mantener el calor alejado del plástico mientras se posiciona para el

sellado y corte. Aislar el plástico para que no se pegue al sellador caliente. Generar la presión suficiente para el sellado y corte. Contener el sensor de calor para que pueda controlarse la

temperatura.

El diseño de la parte de sellado se realizó con un mecanismo tubular rectangular en aluminio, donde en su interior se ubicaron dos resistencias de 100 watt en forma de L para realizar el sellado completo de las panelas.

La temperatura es regulada por el módulo de control secuencial que realiza un interruptor on – off para que la temperatura se mantenga en el rango especificado.

Foto 8 Ubicacion de los Servomotores de Sellado

Para mantener alejado las resistencias de sellado del plástico durante el movimiento de posicionamiento se sostiene y se realiza un movimiento angular por medio de dos servomotores.

Los servomotores marca GWS de referencia S03-T de velocidad angular 100°/s y torque máximo de 0.072 kg-m (requiriendose para el sellado 0.04 kg-cm).

Para aislar y evitar la adherencia entre el plástico y el aluminio de sellado se recubrió con cinta de teflón.

El sensado de la temperatura se instalo una termocupla tipo K (cromel-alumen) el cual entrega la señal al modulo de control secuencial.

6.2. TERMOENCOGIDO DEL PLÁSTICO

En esta parte se realiza un proceso de mejoramiento de los acabados del empaque por medio del suministro de aire caliente alrededor del producto. Se realizó el diseño de un túnel de viento considerando:

- El aire debe incidir en el producto por todas las caras.- La temperatura del aire para que el plástico se termo encoja debe ser

superior a 60ºC y menor a 100ºC.

Foto 9 Tunel de Aire Caliente Para Termoencogido

Para la implementación se utilizan dos pistolas de calor ubicadas en 2 focos en contraposición para proporcionar aire por todos los costados de la panela. Las Pistolas de calor son de 1000 watt cada una. El suministro de aire caliente se activa desde el modulo de control secuencial.

6.3. CONTEXTO DEL MODULO DE EMPAQUE Y SELLADO

De acuerdo a las especificaciones iniciales del proyecto, el módulo de empaque y sellado interactúa con el control secuencial y con los transportadores como lo muestra en la figura 1.


Contexto del Módulo de Empaque y Sellado.

El módulo de Control secuencial es quien determina las acciones que debe realizar el módulo de Empaque y Sellado. Los transportadores de entrada y salida se encargan de suministrar y evacuar la panela previa al empaque y panela empacada respectivamente.

La figura presenta el contexto detallado del módulo de empaque y sellado con una subdivisión modular de acuerdo a las especificaciones citadas.

Antes de definir las comunicaciones que se realizan entre los módulos con los que interactúa el empaque y sellado se presenta una descripción de los sub-bloques en los cuales se ha definido el módulo de empaque y sellado.


Transportador de Entrada

Transportador de Salida


Sellado


Control Secuencial

Figura 4. Diagrama de Contexto del Módulo de Empaque y Sellado.

Comunicaciones Control Secuencial – Módulo de Empaque y Sellado (Posicionador de Plástico y Producto) < 1 >

MoverBanda El empaque y sellado del producto se realizará sobre una banda transportadora que además de sostener la panela y soportar el proceso de sellado debe estar diseñado para que al mover la banda se arrastre el plástico con el producto; el comando MoverBanda realiza esta función.DetenerBanda De acuerdo a las secuencias necesarias para el empaque, la banda debe detenerse en algunas ocasiones. Este comando ó señal realiza dicha orden.IngresarProducto Esta orden genera el movimiento de un mecanismo de expulsión que empuja al producto para que se posicione en la banda adecuadamente.RetirarExpulsor Es el complemento de la acción anterior para que el mecanismo regrese a su posición de reposo.

Comunicaciones Control Secuencial – Módulo de Empaque y Sellado (Sellador y Cortador) < 2 >

< 1 >

< 2 >

< 3 >

< 4 >

Modulo de Empaque y SelladoAlimentación de

Plástico

Sellador y Cortador

Posicionador de Plástico y Producto

Inyector de Aire Caliente

Banda Transportadora de

Entrada

Control Secuencial

Banda Transportadora de

Salida

BajarTensor Orden de bajar un mecanismo que genera tensión en el plástico con el fin de ubicar el plástico para ser sellado y cortado sin generar arrugas ni desvíos ó cortes irregulares.SubirTensor Orden para subir el mecanismo tensor de plástico.BajarSelladorCortador Orden de bajar el mecanismo que se encarga de el sellado y corte del plástico envolviendo la panela.SubirSelladorCortador Orden de levantar el mecanismo después del proceso de sellado y corte.EncenderSelladorCortador Orden de generar un calentamiento en el mecanismo de sellado y corte. ApagarSelladorCortador Orden de apagado del calentamiento en el mecanismo de sellado y corte.

Comunicaciones Banda Transportadora de Entrada – Módulo de empaque y sellado. < 3 >

ProductoSinEmpacar La banda transportadora de entrada entrega producto para que el módulo de empaque y sellado se encargue de realizar su función. A nivel lógico, éstos módulos se comunican a través del control secuencial, físicamente se relacionan en el intercambio del producto.

Comunicaciones Módulo de empaque y sellado - Banda Transportadora de Salida < 4 >

ProductoEmpacado Una vez que el producto ha sido empacado, sellado y sometido al proceso térmico, el producto se mueve hacia la banda transportadora de salida para ser evacuado de la máquina empacadora.

7. MODULO DE DESPLIEGUE Y REGISTRO

El módulo de registro llevará acabo un conteo de las panelas empacadas en periodos determinados (horas, días ó semanas). Esta información se almacena en una memoria EEPROM. El contador se muestra en un display de cristal líquido. Las comunicaciones del módulo de despliegue y registro con el control secuencial se llevan acabo mediante una interface RS485.

7.1. ESPECIFICACIONES DEL MÓDULO DE DESPLIEGUE Y REGISTRO

De acuerdo a la definición del problema, el Módulo de Despliegue y Registro debe cumplir con las siguientes especificaciones:

- El módulo debe comportarse como un esclavo Modbus con comunicaciones a 9600bps 8 N 1.

- El Módulo debe aceptar un comando de entrada a través de el cual se le ordena incrementar el contador de panelas empacadas.

- Debe tener un sistema de teclado que permita manejar y configurar el funcionamiento del Módulo.

- Debe tener un display de fácil interpretación para el usuario. Este display debe tener luz propia.

- El Módulo debe tener un Reloj de Tiempo Real para que el registro tenga datos cronológicos exactos. Este reloj debe tener su propia batería de alimentación de respaldo para evitar ajustes de tiempo y hora con mucha frecuencia.

- El módulo debe permitir la configuración de la hora y fecha desde el teclado.

- La memoria de almacenamiento permanente debe ser EEPROM serial con una capacidad de almacenamiento para producción panelera de por lo menos 1 mes.

- La alimentación del módulo debe realizarse a partir de 110Vac ó 12VDC con un consumo no mayor a 100mA. Esta alimentación debe conectarse por el mismo cable de comunicaciones con el módulo de control secuencial.

7.2. CONTEXTO DEL MODULO DE DESPLIEGUE Y REGISTRO

El módulo de despliegue y registro debe interactuar con el control secuencial como lo muestra la siguiente figura.

El módulo de despliegue se comunica con el control secuencial que es quien coordina la funcionalidad total de la empacadora.


Contexto del Módulo de Despliegue y Registro.

La figura siguiente presenta el contexto detallado del módulo de despliegue y registro con una subdivisión modular de acuerdo a las especificaciones citadas.

Figura 6. Diagrama de Contexto del Módulo de Despliegue y Registro.



de Entrada


de Salida


Sellado


Control Secuencial

< 1 >

< 2 > Usuario

< 3 >

Modulo de Display y Registro

Teclado

Reloj de Tiempo Real

Display

Memoria

EEPROM

Interface RS485/232

Controlador

Control Secuencial

< 1 > Comunicaciones Usuario – Módulo de Despliegue.

ClaveUsuario Es una clave que el usuario ingresa por el teclado para tener acceso a la configuración del módulo.

ConfigurarReloj Configuración de hora y fecha del módulo.ReiniciarContador A través de una clave determinada, el usuario

puede reiniciar el conteo de panelas empacadas.SolicitudPanelasEmpacadasUltimaHora Mediante el teclado, el

usuario solicita que se despliegue el número de panelas empacadas durante la hora en transcurso.

SolicitudPanelasEmpacadasUltimaJornada Mediante el teclado, el usuario solicita que se despliegue el número de panelas empacadas durante el día en transcurso.

SolicitudPanelasEmpacadasUltimoMes Mediante el teclado, el usuario solicita que se despliegue el número de panelas empacadas durante el mes en transcurso.

< 2 > Comunicaciones Modulo de Despliegue – Usuario.

PanelasEmpacadasUltimaHora Despliegue del número de panelas empacadas durante la hora en transcurso.

PanelasEmpacadasUltimaJornada Despliegue del número de panelas empacadas durante el día en transcurso.

PanelasEmpacadasUltimoMes Despliegue del número de panelas empacadas durante el mes en transcurso.

< 3 > Comunicaciones Modulo de Despliegue – Control Secuencial.

IncrementarContadorPanelas Orden de incrementar el contador de panelas empacadas en una unidad.

SolicitarRegistroContadorHora Comando de solicitud del número de panelas empacadas durante la hora en transcurso.

SolicitarRegistroContadorDia Comando de solicitud del número de panelas empacadas durante el día en transcurso.

SolicitarRegistroContadorMes Comando de solicitud del número de panelas empacadas durante el mes en transcurso.

ReiniciarContador Comando de reinicio del registro de conteo de panelas empacadas durante la hora, el día y el mes.

RegistroPanelasEmpacadasUltimaHora Respuesta del módulo con el registro de el número de panelas empacadas durante la hora en transcurso.

RegistroPanelasEmpacadasUltimaJorada Respuesta del módulo con el registro de el número de panelas empacadas durante el día en transcurso.

RegistroPanelasEmpacadasUltimoMes Respuesta del módulo con el registro de el número de panelas empacadas durante el mes en transcurso.

7.3. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN

De acuerdo con las especificaciones citadas, la implementación del módulo se llevó a cabo con un circuito basado en un microcontrolador, una memoria EEPROM, una pantalla de cristal líquido y un teclado numérico.

Foto 10 Módulo de despliegue y registro

El siguiente listado presenta los componentes utilizados:

C1 condensador de 33pf.C2 condensador de 33pf.C3 condensador de 0.1uf.C4 condensador electrolítico 10uf C5 condensador electrolítico 220uf DISPLAY LCD con interfaz de 4 bits.G1 base para batería CR2032 y BateríaIC1 Driver RS485 SN75176 TEXASIC2 Microcontrolador pic 16f876 MICROCHIP.IC3 Memoria EEPROM 24LC16 MICROCHIPIC4 Reloj de Tiempo real DS1302 DALLAS IC5 Regulador de 5VJP1 Conector de 4 pines para interfaz RS485 y voltaje de alimentación.Q1 Cristal oscilador de cuarzo de 32KhzQ2 Cristal oscilador de cuarzo de 4Mhz.R3 Resistencia de 160 ohmios ¼ Watt

R4 Resistencia de 5.6k ohmios ¼ WattR5 Resistencia de 5.6k ohmios ¼ WattR6 Resistencia de 5.6k ohmios ¼ WattR7 Fusible reseteable de 200mATECLADO y conector

La Foto 10 presenta el módulo implementado

Por defecto el módulo muestra la hora actual intermitando con un menú para ver la producción de la última hora, día ó mes.

Figura 7. Circuito del Modulo de Registro y Despliegue

8. MODULO DE CONTROL SECUENCIAL

Este módulo se encarga de coordinar todas las tareas que ejecutan los demás módulos del proyecto:

Módulos de transporte de entrada y salida.Módulo de Empaque y Sellado.Módulo de Despliegue y Registro.

El Módulo de Control Secuencial es un sistema electro-mecánico que debe coordinar las secuencias que realiza cada módulo de la máquina para lograr que una vez ingresado el producto sin empacar se de inicio al proceso de empaque y se obtenga como salida el producto terminado. Adicionalmente, el módulo de control secuencial debe manejar los arranques de la máquina y paradas de emergencia.

8.1. ESPECIFICACIONES LITERALES DEL MÓDULO DE DESPLIEGUE Y REGISTRO

Funcionalmente, el módulo de control secuencial debe realizar cada una de las siguientes tareas:

- Debe tener un botón de arranque.- Debe tener un botón de parada de emergencia.

Control del Módulo de Bandas Transportadoras:

- Para la banda de entrada debe manejar 2 sensores de posición que indican en donde está ubicada la banda para realizar un sellado.

- El movimiento de la banda de entrada se realiza con un motor reductor que debe ser manejado por el módulo de control secuencial de acuerdo al estado de los sensores de posición del producto en la banda de entrada.

- La banda ó rodillos de salida se mueven a través de un motor reductor que se mueve controlado por el Control Secuencial para que el sellado sea adecuado.

Control del Módulo de Empaque y sellado:

- El módulo de empaque y sellado se mueve con 2 servomotores que se deben controlar desde el Control Secuencial.

42

- Este módulo también tiene 2 resistencias generadoras de calor y 2 sensores de temperatura que determinan el punto ideal para realizar el sellado y corte del plástico.

- Para el sellado termo-encogible se tienen 2 generadores de aire caliente con 2 sensores de posición para el producto y soplar solamente cuando sea necesario.

Control del Módulo de Despliegue y Registro:

- El módulo debe tener un sub-módulo maestro Modbus con comunicaciones a 9600bps 8 N 1 para comunicarse con el Sistema de despliegue y registro.

- A través del sub-módulo Modbus debe enviar un comando de incrementar el contador de panelas empacadas. Este comando debe enviarlo siempre que termine de coordinar el empaque de una panela, es decir cuando termina el soplado térmico.

- A través de la interface física de comunicaciones debe disponer de 2 hilos para alimentar al sistema de Despliegue y registro con +12VDC y una carga máxima de 100mA.

Requerimientos no funcionales:

- El acabado debe ser resistente y apto para trabajo pesado, impermeable con resistencia a golpes.

8.2 CONTEXTO DEL MODULO DE DESPLIEGUE Y REGISTRO

De acuerdo a las especificaciones del proyecto, el módulo de control secuencial interactúa con los demás módulos.

Foto 11 Modulo de Control secuencial.

43


Contexto del Módulo de Despliegue y Registro.

<1> Sensor de Posición 1.Sensor de Posición 2.Motor de Banda de Entrada MBE.

<2> Sensor de Temperatura 1.Sensor de Temperatura 2.Servomotores de Sellado.Resistencia de sellado y corte lateral.Resistencia desellado y corte frontal.Generadores de aire caliente.

<3> Sensor de Posición 1.Sensor de Posición 2.Motor de Banda de Salida MBS.

<4> Alimentación: +12V y GNDComunicaciones RS485: A y B

La siguiente figura representa cada una de estas interfaces de comunicación:

44


<1> <2> <3>

<4>

Transportador de Entrada

Transportador de Salida


Sellado


Control Secuencial

Figura 9. Diagrama de Interfase de Comunicación con el Control Secuencial.

45

El módulo de despliegue se comunica con el control secuencial que es quien coordina la funcionalidad total de la empacadora. La figura siguiente presenta el contexto detallado del módulo de despliegue y registro con una subdivisión modular de acuerdo a las especificaciones citadas.

< 3 > Comunicaciones Modulo de Despliegue – Control Secuencial.

IncrementarContadorPanelas Orden de incrementar el contador de panelas empacadas en una unidad.

SolicitarRegistroContadorHora Comando de solicitud del número de panelas empacadas durante la hora en transcurso.

SolicitarRegistroContadorDia Comando de solicitud del número de panelas empacadas durante el día en transcurso.

SolicitarRegistroContadorMes Comando de solicitud del número de panelas empacadas durante el mes en transcurso.

ReiniciarContador Comando de reinicio del registro de conteo de panelas empacadas durante la hora, el día y el mes.

RegistroPanelasEmpacadasUltimaHora Respuesta del módulo con el registro de el número de panelas empacadas durante la hora en transcurso.

RegistroPanelasEmpacadasUltimaJorada Respuesta del módulo con el registro de el número de panelas empacadas durante el día en transcurso.

RegistroPanelasEmpacadasUltimoMes Respuesta del módulo con el registro del número de panelas empacadas durante el mes en transcurso.

8.3. GRAFCET

Para el desarrollo del Grafcet se plantea la descripción de la empacadora, posteriormente se presenta la tabla de anterioridades para relacionar las tareas.

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Tabla 2. Descripcion de Tareas en la Empacadora.

TAREA DESCRIPCIÓNT1 Alinear siguiente panela en la banda de entrada. (Evacuar panela

sellada)T2 Encender resistencias de selladoT3 Sellar y cortar PanelaT4 Posicionar panela en el túnel de aire.T5 Encender pistolas de calor para termoencogidoT6 Evacuar panela terminada desde la banda de salida.T7 Apagar resistencias de sellado

Tabla 3. Anterioridades y Autorizaciones de la Empacadora.

TAREA COMIENZA SI HASTA QUE ENTONCES AUTORIZAT1 Fin T3 ó inicio. Panela esté

alineada para sellado.

T3 y T4

T2 Fin T7 Temperatura mayor que 310°C.

T3 y T7

T3 Fin T1 y fin T2. Panela sellada y cortada.

T1

T4 Fin T1 y Fin T5 Panela posicionada para termoencogido.

T5

T5 Fin T4 Panela termoencogida

T6 y T4

T6 Fin T5 Panela evacuada.

T7 Fin T2 Temperatura menor que 300°C.

T2

47

Figura 10. Grafcet de la Empacadora

48

Inicio

On

T1

Banda Alineada

T4

Panela Posicionada

T5

PanelaTermosellada

T6

T3

Temp > 310°C

T7

Temp < 300°C

T2

Panela Sellada

Panela Evacuada

8.4. GUIA GEMMA

La guía Gemma para esta maquina esta definida en el siguiente diagrama. En este grafcet se tiene los procesos de parada de urgencia D1 y los pasos necesarios para el rearranque de la máquina hacia producción normal. En esta caso, el grafcet representa las acciones que se deben realizar de manera manual por parte del operario para poner la maquina en producción normal. Para ello el grafces gemma sigue la siguiente secuencia a partir de la parada de Urgencia PU:

PU Parada de UrgenciaD1 estado detenido por parada de UrgenciaA5 Adecuación del sistema después de la parade Urgencia consistente en la remoción de paquetes.A6 Energización manual e Inicialización, se efectúan los pasos manuales para dejar la máquina lista con las condiciones Iniciales para el arranque a producción automática ó para secuencias manuales.A1 Parada en el estado inicial. Estado de reposo de la máquina lista para arrancar la producción normal.

Figura 11. Guia Gemma de Empacadora

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9. RESULTADOS

Como resultado general del proyecto se tiene un proceso automatizado en el cual se aplicaron las teorías de control secuencial, informática, redes industriales y gestión de producción.

Foto 12 Empacadora Automatica de Panela

El prototipo de la máquina empacadora que recibe las panelas en una banda transportadora de alimentación y las empaca de forma individual con una envoltura plástica ejecutando un sellado térmico. Las panelas selladas se posicionan en una banda transportadora de salida y se genera un registro contador de panelas empacadas para hacer el seguimiento de la cantidad producida.

Foto 13 Panela en Empaque Individual

50

El proyecto entrega a la industria productora de panela una empacadora automática de panela individual en envoltura plástica, agregando limpieza y uniformidad en el empaque del producto mejorando la presentación e higiene ante el cliente.

Como especificaciones para este bloque están las dimensiones físicas e interfaces de los bloques anteriores.

El ensamble general entregó como resultado el prototipo de la empacadora con toda la funcionalidad definida para la ejecución de pruebas, ajustes y validación de las especificaciones.

El chasis de la empacadora está desarrollado en esta fase donde se tuvo en cuenta el peso de los módulos, la resistencia mecánica, al ambiente y a las temperaturas de la misma máquina.

Para el ensamble general también se tuvo en cuenta el sistema de parada de emergencia y seguridad del funcionamiento de la empacadora.

Foto 14 Empacadora Automatica de Panela en Empaque Individual

La empacadora tiene las siguientes especificaciones técnicas:

Dimensiones de la empacadora:- Largo 1.2m- Ancho 0.6m- Alto 1.0m

Capacidad de Empaque:- En este prototipo se empacan panelas de 0.1m X 0.08m X 0.03m, son

peso de 0.25kg.

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- 240 panelas por hora.

Alimentación de Energía:- 110Vac / 60 Hz.- Batería de 3V CR2032.

Consumo:- 600 Watt. Max.

Comunicaciones:- RS-232 / RS-485.- 9600 bps 8N 1.

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10. CONCLUSIONES

- Al ver el producto terminado se logra el objetivo de mejorar la presentación, higiene, protección a la humedad y conservación del producto.

- El desarrollo de maquinaria acorde con necesidades específicas de la industria debe implementarse para presentar productos de mayor competitividad y acordes con esas necesidades.

- En el desarrollo de maquinas automáticas, los prototipos intermedios permiten conocer las variables que intervienen para automatizar el proceso.

- En muchos casos de automatización la alternativa de utilizar tecnología electrónica propietaria disminuye costos en comparación con la utilización de tecnologías de control comerciales. Es necesario tener en cuenta que en casos específicos y críticos esto no es aconsejable.

- La especialización de automatización de Procesos Industriales de la Universidad de los Andes brinda excelentes herramientas y un buen enfoque para solucionar problemas de la industria.

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11. BIBLIOGRAFIA

CASTILLO, Iván; SOTO, John. “Metodología para el Desarrollo de Diseños de Ingeniería”. Universidad de los Andes, Diciembre 2002.

JIMENEZ, Fernando. “Control Secuencial, Notas de Clase”. Especialización en Automatización de Procesos Industriales, Universidad de los Andes, Octubre 2003.

VELEZ, Jenny. La Panela Cambia de Look. Agencia Universitaria de Periodismo Científico, Julio 2004.

ICONTEC, Norma Técnica Colombiana NTC 1311.

http://www.plastunivers.com., Plásticos Universales No. 36 - Enero 1996. Informe, Termoformado: Procedimiento, maquinaria y materiales, Fermín Capella

http://www.empakando.com., Empakando Productos y servicios, Termoencogible.

http: www.psrc.usm.edu., Universidad del Sur de Mississippi Termoplásticos.

http: www.gws.com.tw., Especificaciones de Servomotores Ref. GWS S03-T.

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articulo ieee tesis

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